近紅外光譜技術(shù)用于前額葉皮層工作記憶作用的研究.pdf

1、工作記憶是一種對(duì)信息進(jìn)行暫時(shí)性儲(chǔ)存和加工的機(jī)制，它能夠保存被激活的信息表征，以備進(jìn)一步加工之用，對(duì)于學(xué)習(xí)、推理、問(wèn)題解決及語(yǔ)言理解等高級(jí)認(rèn)知功能的完成起著重要作用。來(lái)自正電子發(fā)射層析成像（PET）和功能磁共振成像（fMRI）的研究證據(jù)表明，前額葉皮層（PFC）是在工作記憶中起關(guān)鍵作用的腦區(qū)。近紅外光譜技術(shù)（NIRS）是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)非侵入光學(xué)測(cè)量方法。在700～900nm的近紅外光譜范圍內(nèi)，生物組織具有高散射、低吸收的特性，近

2、紅外光可以穿過(guò)頭皮和顱骨深入腦組織，并由漫射光攜帶出反映大腦皮層激活狀況的血液動(dòng)力學(xué)變化信息?；谘鹾涎t蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的近紅外光的不同吸收，NIRS可以提供對(duì)腦組織中HbO2和Hb濃度相對(duì)變化的獨(dú)立測(cè)量，因而在大腦功能活動(dòng)的檢測(cè)領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大潛能。本論文在闡述NIRS基本測(cè)量原理和大腦具體生理特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并建立了一套多通道近紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)。作為系統(tǒng)的主要應(yīng)用，通過(guò)對(duì)兩種工作記憶任務(wù)下PFC激

3、活狀況的檢測(cè)，探討了PFC在工作記憶中的作用。1）以光與生物組織的相互作用規(guī)律為基礎(chǔ)，結(jié)合腦的具體生理特性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套24通道基于三波長(zhǎng)連續(xù)光類型的腦功能近紅外光譜檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的時(shí)間分辨率取決于采樣頻率，因此是可調(diào)的，應(yīng)用中設(shè)定的分辨率為1秒；成像器（探頭）探測(cè)面積為6cm×12cm，實(shí)際應(yīng)用中，成像器對(duì)稱地置于被試眉骨以上、前額中線左右兩側(cè)，這樣，成像器所檢測(cè)的腦區(qū)范圍為前部前額區(qū)（AnteriorPFC），背外側(cè)前額區(qū)(DL

4、PFC)及腹外側(cè)前額(VLPFC)的部分區(qū)域。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括獲取三種波長(zhǎng)的光強(qiáng)變化數(shù)據(jù)，計(jì)算并顯示HbO2、Hb和總血紅蛋白（HbT）的相對(duì)濃度變化量。離體血液模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量組織中HbO2、Hb和HbT相對(duì)濃度的變化。2）利用NIRS系統(tǒng)對(duì)被試在執(zhí)行基于項(xiàng)目再認(rèn)范式的言語(yǔ)和空間工作記憶任務(wù)情況下PFC激活狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，考察了PFC激活腦區(qū)的血液動(dòng)力學(xué)變化特征以及在兩種不同工作記憶任務(wù)下PFC激活腦區(qū)空

5、間分布的差異。發(fā)現(xiàn)激活腦區(qū)存在著典型的激活模式：HbO2、HbT相對(duì)濃度的上升往往伴隨著Hb相對(duì)濃度的下降。PFC在工作記憶的短時(shí)存儲(chǔ)中存在著明顯的功能側(cè)化趨勢(shì)，言語(yǔ)性材料主要激活了PFC的左腹外側(cè)腦區(qū)，空間性材料則主要激活了PFC的右腹外側(cè)腦區(qū)。3）利用上述系統(tǒng)對(duì)被試在執(zhí)行言語(yǔ)性n-back任務(wù)情況下PFC的激活狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),同時(shí)記錄了被試行為表現(xiàn)數(shù)據(jù)（響應(yīng)時(shí)間和正確率）?？疾炝吮辉囆袨楸憩F(xiàn)及PFC激活腦區(qū)的工作記憶負(fù)荷效應(yīng)；探討了

6、較高記憶負(fù)荷條件下被試PFC激活量與行為參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果顯示：①被試行為表現(xiàn)指標(biāo)及PFC活動(dòng)呈現(xiàn)出顯著的記憶負(fù)荷效應(yīng)，隨著記憶負(fù)荷的加大，響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，正確率減小，激活腦區(qū)的活動(dòng)程度加強(qiáng)；②PFC左側(cè)腦區(qū)激活量明顯大于右側(cè)腦區(qū)，腹外側(cè)PFC的功能側(cè)化尤其顯著；③在較高記憶負(fù)荷下，被試的不同行為參數(shù)之間、激活腦區(qū)活動(dòng)程度與其行為參數(shù)之間存在著規(guī)律性聯(lián)系，具體表現(xiàn)為較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間常伴隨著較低的正確率，表現(xiàn)出較低正確率或較長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間的被試

7、往往具有較大的PFC激活量。綜上所述，本論文率先將近紅外光譜技術(shù)用于了對(duì)工作記憶的研究，從而為工作記憶研究提供了新的手段。借助NIRS的高時(shí)間分辨和多指標(biāo)測(cè)量特性，發(fā)現(xiàn)在工作記憶任務(wù)執(zhí)行期間，被試PFC激活腦區(qū)存在典型的激活模式。同時(shí)，本論文首次系統(tǒng)地考察了大腦工作記憶過(guò)程中，PFC活動(dòng)與行為參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在較高記憶負(fù)荷下，響應(yīng)時(shí)間與正確率之間、活動(dòng)腦區(qū)的激活程度與響應(yīng)時(shí)間、正確率之間均存在著規(guī)律性的聯(lián)系。以上發(fā)現(xiàn)為揭示PFC在工